{{wiki:logo.png}} ---- //Projektbericht des Vertiefungsprojektes in dem Studiengang Ökologie und Umweltplanung (WS16/17 - SS17)// ----

Mobile mikrometeorologische Messung

Mobile mikrometeorologische Messung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich der Messgeräte (eigene Darstellung)

1. Einleitung

Eines der Ziele von klimatischen Messungen ist anhand gewonnener Daten Modell-Simulationen mithilfe von Computerprogrammen zu erstellen, Szenarien zu bilden und damit klimaökologische Bewertungen und Empfehlungen zu formulieren. Mikrometeorologie beschäftigt sich damit, Untersuchungen in kleinräumigen Orten von ca. 1 km² in kürzeren Zeiteneinheiten durchzuführen (Foken 2006).

Es gibt verschiedene Arten der Datenerfassung. Geeignete Methoden kommen aus der Fernerkundung. Diese werden hauptsächlich für großräumige Messungen, insbesondere aus der Luft mittels Thermographie, benutzt. Eine weitere Option sind stationäre Messungen, diese sind ortsgebunden und eher für längerfristige Messungen geeignet. Die folgende Ausarbeitung befasst sich mit mobilen Messungen. Diese werden mit einem mobilen Gerät, welches durch das Untersuchungsgebiet bewegt werden kann, durchgeführt ( VDI 3785 Blatt 2). Der dazugehörige Träger kann ein Kraftfahrzeug, ein Fahrrad, ein Rucksack oder ähnliches sein. Da sich die Aufstellung von stationären Messgeräten in der Stadt als recht schwierig erweist, zum Beispiel in Parks oder auf Dächern, ist der Gebrauch von mobilen Messgeräten von Vorteil.

Damit der Unterschied und die Bedeutung von mobilen Messungen besser verdeutlicht werden kann, werden im nächsten Teil der Arbeit die wesentlichen Unterschiede bzw. Vorteile für lokale Messungen gegenüber anderen Messmethoden dargestellt und Grundbegriffe erläutert. Es wird verdeutlicht, welche Aufgaben und Problematiken die mobilen Messverfahren mit sich führen und welche Ziele sie verfolgen. Danach werden einige Fallbeispiele der Anwendung mobiler Messungen vorgestellt und die Bedeutung bzw. Nutzung innerhalb der Stadt verdeutlicht. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit werden die vorgestellten Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick für weitere Anwendungen in der Empirie gegeben.

2. Mobile Messungen im Überblick

Fernerkundungsverfahren, wie zum Beispiel durch Satelliten-Thermografie aufgenommene Bilder, sind für lokale Betrachtungen eher als ungeeignet anzusehen, da die Beobachtungen nur eingeschränkt Informationen liefern (VDI 3785 Blatt 2).

Mikrometeorologische Betrachtungen können besser durch stationäre und mobile Messungen durchgeführt werden. Als ein Beispiel des stationären Messgerätes kann eine umweltmeteorologische Messstation dienen. Sie erfasst Messungen der Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Geschwindigkeit des Windes und Energiebilanz in unterschiedlichen Messhöhen (Kuttler & Dütenmeyer 2003). Laut Kuttler & Dütenmeyer ist ein Problem der stationären Messungen, dass die räumliche Repräsentanz der Daten nicht bzw. nur wenig gegeben ist.

Bei den Untersuchungen des Standortklimas oder des Klimas in kleinräumigen Gebieten sind mobile Messungen besser geeignet. Dafür gibt es folgende Gründe: die Erstellung einer Vielzahl der erforderlichen stationären Messstationen ist ökonomisch ungünstig (VDI 3785 Bl.2). Für mobile Messstationen sprechen auch eine schnellere Aufstellung und die Möglichkeit der Durchführung von Untersuchungen in schwer erreichbaren Standorten, beispielsweise in den Bergen (Kuttler & Dütenmeyer 2003; Ellenberg 1973). Der hohen räumlichen Auflösung durch verschiedene Messstandorte steht jedoch oft eine relativ geringe zeitliche Repräsentanz gegenüber.

In der Regel ist es oft nicht ausreichend, nur eine Form der Messungen vorzunehmen, da die Datenbearbeitung mit vielen Problemen verbunden ist (z.B. Korrelationen unter den Beobachtungen und systematische Fehler). Aus den Überlegungen kann man schließen, dass mobile Messungen, gegeben der Zielsetzung, mehrmals an verschiedenen Orten zu unterschiedlichen Tages- oder Jahreszeiten durchgeführt werden sollten. Damit kann eine bessere Repräsentanz im Datensatz gewährleistet werden. Mobile Messungen eignen sich hervorragend für die Ergänzung stationärer Messungen (VDI 3785 Blatt 2).

Mobile Mikroklimamessungen haben folgendes Ziel: „Feststellung der Größe von Klimaparameter in Abhängigkeit von räumlicher Ausdehnung des Untersuchungsgebietes sowie die Registrierung der zeitlichen und wetterbedingten Veränderungen der Parametergröße“ (VDI 3785 Blatt 2).

Zu den relevanten meteorologischen Zielgrößen gehören die Lufttemperatur und Luftfeuchte, Strömungen, wie zum Beispiel Windgeschwindigkeit oder Windrichtung, Strahlung über die Albedo und die Strahlungsbilanz. Zusätzlich werden noch abgeleitete Größen, wie Schwüle oder andere Bioklimagrößen und Abgrenzung von Klimatopen, betrachtet.

Bei mobilen Messungen muss zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Messungen unterschieden werden. Bei der ersten Variante wird die Messung auf einem bewegten Geräteträger ohne Zwischenstopps in dem relevanten Gebiet durchgeführt, während man bei diskontinuierlichen Messungen an bestimmten Standorten anhält und dort die relevanten Größen aufnimmt. Lufttemperatur und Feuchte können dabei durch beide Verfahren gemessen werden, wobei sich für bewegte Größen, wie Strömungen, das zweite Verfahren besser eignet (VDI 3785 Bl.2).

Auch in Bezug auf die Untersuchungen von lokalklimatischen Auswirkungen innerhalb der Städte sind mobile Messungen durch die hohe örtliche Repräsentanz geeignet. Hinsichtlich der klimatischen Verhältnisse innerhalb der Stadt sind Temperaturunterschiede und deren Herkunft innerhalb der Stadtteile und zwischen Stadt und Umland von Interesse. Laut DWD sind sommerliche strahlungsintensive und schwachwindige Hochdruckwetterlagen von besonderer Wichtigkeit, da sich dann besonders Unterschiede in den Temperaturen innerhalb der Stadt und Umland ausprägen und Kaltluftflüsse ihre größte Intensität erreichen (DWD 2015). Auch, wo die innerstädtischen Wärmeinseln entstehen, kann durch Messungen gezeigt und die Ursache lokalisiert werden. Dieses wird auch in den folgenden Fallbeispielen deutlich. Mit Hilfe einiger Studien soll die Anwendung der mobilen Messungen anhand praxisorientierter Beispiele verdeutlicht und, anhand der Ergebnisse aus den einzelnen Studien, die Herausarbeitung der Problematiken aufgezeigt werden.

3. Fallbeispiele

In der Studie „Untersuchungen zum Klima der Rheinauen durch mobile Messungen“ wird ein Beispiel für mobile Messungen mit einem Personenkraftwagen gezeigt (Ahrens & Stöcker 2009). In Form von diskontinuierlichen Messverfahren wurden dabei lokale und regionale Klimaphänomene der Rheinaue bei Rastatt am Oberrhein untersucht. Das Interessante an diesem Gebiet ist, dass sich dort eine hohe Ansammlung an Wasserdampf befindet, der für die Vegetationsstruktur mitverantwortlich ist. Dementsprechend wurden als Zielgrößen für die Messungen die Lufttemperatur und Luftfeuchte ausgewählt. Das Ziel der Messungen war, die klimatischen Unterschiede der einzelnen Arealtypen zu analysieren (Ahrens & Stöcker 2009). Als Ergebnis konnte festgehalten werden, dass sich durch den höheren Anteil an Wasser in einem Teilgebiet niedrigere Lufttemperaturen bildeten und sich eine höhere Luftfeuchte ansammelte, vor allem dort, wo überwiegend dichter Hochwald vorherrschte. Dieser hat zu einer höheren Verdunstungsrate in den Sommermonaten geführt. Im Frühjahr haben sich die Messwerte in der Luftfeuchte zwischen den Gebieten nicht signifikant voneinander unterschieden, die Erklärung hat die noch nicht vorhandene Belaubung der Bäume geliefert. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die räumliche Differenzierung im Frühjahr weniger ausgeprägt ist als im Sommer (Ahrens & Stöcker 2009).

Eine weitere interessante Ausarbeitung des Deutschen Wetterdienstes, „Stadtklimatische Untersuchungen in Leipzig“, bedient sich der Auswertungen, sowohl von stationären, als auch von Profilmessungen, um die lokalklimatischen Verhältnisse und Besonderheiten aufzuzeigen, die bei stadttypischen Herausforderungen auftreten (Behrens 2016). Dazu gehören zum Beispiel die Anpassungen an den Klimawandel, Schutz vor extremen Wetterereignissen und weitere Abschätzungen der entstehenden Problematiken, die in der Zukunft von Bedeutung sein könnten (Behrens 2016). Die mobilen Messungen sind dabei durch einen Kraftwagen durchgeführt worden, mit dem Ziel, Trocken- und Feuchttemperatur zu erfassen, um daraus die relative Luftfeuchte zu ermitteln. In Form der kontinuierlichen Messungen sind im Sekundentakt die Werte aufgezeichnet worden. Durch einen integrierten Wegstreckenzähler konnten diese später einem bestimmten Raum zugeordnet werden (Behrens 2016). Damit eine bessere Repräsentanz in dem Datensatz gewährleistet werden konnte, sind die Fahrten in verschiedenen Gebieten und zu verschiedenen Uhrzeiten durchgeführt worden. Die Route ist so gewählt worden, dass verschiedene Stadtstrukturen Leipzigs, zum Beispiel Innenstadt, Waldflächen, Auenflächen, Randbereiche etc., mit den jeweiligen lokalklimatischen Besonderheiten aufgezeichnet werden konnten (Behrens 2016; Kuttler & Dütenmeyer 2003). Dadurch konnte der Einfluss von Gebäuden, Bäumen und verschiedenen weiteren Größen auf die Luftfeuchtigkeit erfasst werden. Die Unterschiede der gemessenen Ergebnisse in den einzelnen Stadtteilen haben auf eine thermische Belastungssituation des Lokalklimas im Untersuchungsgebiet hingedeutet (vgl. Behrens 2016). Es wurde belegt, dass die wesentlichen Unterschiede in den Temperaturen von den folgenden Faktoren abhängen: dem Bestand von Grün- und Freiflächen, Schattenwurf durch Gebäude und dem Anteil von Plätzen mit direkter Sonneneinstrahlung. Dementsprechend konnten auch höhere Temperaturen in der Innenstadt gemessen werden. Parkareale in der Stadt sorgten demnach für eine Abkühlung des Umfeldes. Diese Studie beschreibt, wie unter anderem durch mobile Messungen die klimatischen Gegebenheiten, die in der Stadt vorherrschen, erfasst werden können.

mobile Messungen	Fahrrad	PKW	Messlabor	Mess-/ Handwagen	Rucksack	Boot	Luftbalon	Modellflugzeug
kontinuierlich	geeignet	geeignet	geeignet	eher ungeeignet	eher geeignet	eher geeignet	eher geeignet	geeignet
diskontuierlich	eher geeignet	geeignet	geeignet	geeignet	geeignet	eher geeignet	ungeeignet	ungeeignet
Benutzung
Vorteile	1. hohe RR, durch Mobilität schwer erreichbare Orte erreichbar 2. großes unzugängliches Gebiet kann umfahren werden 3. ökonomisch günstig	1 . schnelle Fortbewegung 2. rel. gute ZR	1. Kann zur höheren RR, da man auch über Nacht stehen lassen kann 2. Können viele Variablen gleichzeitig gemessen werden	1. Können viele Variablen gleichzeitig gemessen werden 2. ökonomisch günstig	1. sehr hohe RR 2. leicht fortbewegbar 3. ökonomisch günstig	1. eigenes Terrain → hohe RA	1. können Daten aus verschiedenen Höhen sammeln 2. hohe ZR, da auch über mehrere Tage stehen lassen	1. können Daten aus verschiedenen Höhen sammeln 2. leichte Bedienung
Nachteile	1. niedrige ZR, da ständig in Bewegung	1. räumlich begrenzt	1. längere Messzeiten 2. zu groß, kommt nicht in Parkanlagen/ Naturschutzgebiete z.B. dadurch kleinere RR 3. ökonomisch ungünstig	1. sehr unpraktisch und schwer 2. zeitaufwendig	1. nur wenige Variablen gleichzeitig messbar 2. ZR gering, sehr zeitaufwendig	1. niedrige ZR, da immer in Bewegung	1. schwer kontrollierbar	1. niedrige ZR

Tabelle 1: Vergleich der Messgeräte (RR - Räumliche Repräsentanz; ZR – zeitliche Repräsentanz)

Die Tabelle 1 zeigt die Schwächen und Stärken der einzelnen mobilen Messgeräte. Mit den in den Studien gesetzten Zielen ist die Benutzung der einzelnen Geräte von der Struktur des Untersuchungsgebietes, wie auch von der Anzahl und Art der zu erfassenden Zielgrößen abhängig. Die Eignung für bestimmte Messungen ist von der Mobilität und Größe des Mediums abhängig. Das heißt, dass umso größer ein Fahrzeug ist, desto weniger räumliche Repräsentativität wird es mit sich führen, da damit schwer bestimmte Gebiete umfahren werden können, wie zum Beispiel öffentliche Parks. In Bezug auf das Stadtklima, wo die örtliche Repräsentanz eine sehr große Rolle spielt, da teilweise sehr kleine Gebiete für die Daten betrachtet werden (z.B. Parkanlagen, Gebäudedächer usw.), müssen weitere Messungen zur Hilfe genommen werden. Dadurch können präzisere Ergebnisse erzielt werden. Wiederum weisen sie aber eine höhere zeitliche Repräsentativität auf, da man zum Beispiel ein Messlabor über Tage an bestimmten Orten abstellen kann um mehrmals Daten an verschiedenen Zeitpunkten zu sammeln. Ebenfalls können mehrere Zielgrößen gemessen werden, da mehr Platz für verschiedene Apparaturen vorhanden ist. Wiederum sind die dabei entstehenden Kosten von Nachteil. Während mit einem Rucksack oder Fahrrad ein großes unzugängliches Gebiet erreicht werden kann und diese sich als ökonomisch günstig erweisen, gestaltet es sich schwierig diese Messgeräte über einen längeren Zeitraum an einem Ort abzustellen.

Auch Geräte mit einer vertikalen Einsatzmöglichkeit sind geeignet um das Problem der örtlichen Repräsentativität zu lösen. Zum Beispiel Ballone oder Modellflugzeuge, eignen sich sehr gut, um an bestimmte schwer erreichbare Stellen heranzukommen bzw. Größen in höheren Regionen innerhalb der städtischen Grenzschicht genauer zu bestimmen. Der Nachteil bei den Messträgern liegt bei der Kontrolle der Geräte. Es erweist sich schwierig ein Flugzeug punktgenau zu steuern, sodass Störgrößen durch die Bewegung entstehen könnten.

4. Fazit

In der Arbeit wurden Vorteile und Bedeutung der mobilen Messverfahren betrachtet. Durch die Fallstudien konnte die Benutzung der einzelnen Messgeräte und ihre Bedeutung für die jeweilige Problemstellung in den einzelnen Untersuchungsgebieten verdeutlicht werden. Durch die Tabelle konnte ein Gesamtüberblick der möglichen mobilen Messgeräte mit den dazugehörigen Problemen und Unterschieden betrachtet werden. Es zeigte sich, dass vor allem an schwer zugänglichen Stellen, wie z.B. in Parks, wo die Bewegungsfreiheit eine entscheidende Rolle spielt, sich die mobilen Messverfahren für die Datensammlung als sehr nützlich erweisen. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass es einen „trade-off“ zwischen der zeitlichen und örtlichen Repräsentanz gibt. Je leichter und mobiler das Gerät, umso besser die örtliche Repräsentanz, aber es können weniger Zielgrößen gemessen werden. Damit zeitliche und örtliche Repräsentanz gewährleistet werden kann, sollten mehrere Messmethoden bzw. Messungen mit mehreren Geräten durchgeführt werden.